СПб
2016
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Конспект лекций на физическом факультете СПбГУ, 30 часов. 2011-1 6 гг.
Введение
Предмет изучения
Предмет, который Вам предстоит изучать, называется в разных местах по-разному: "ТОЭ"; "Электротехника и радиотехника"; "Радиофизика" – суть названия похожих курсов лекций в других вузах. Наш назвали: " Физические основы радиоэлектроники ".
Можно определить предмет ФОРЭ как изучение физических процессов и математического описания возбуждения, преобразования и регистрации электромагнитных сигналов.
Слово "радио" происходит из хорошей семьи латинских слов – radiate, radiata, radiato, radiati, radiatis, radiatus, radiabit, radiant, radiatam, radiatorum,– излучать, испускать лучи.
Будем считать этапы развития радио от открытия М.Фарадеем закона электромагнитной индукции в 1831 году. В 1861-62 годах Дж.К.Максвелл опубликовал статьи с известными уравнениями (Максвелла). Гельмгольц, несогласный с теорией Максвелла, поручил своему ученику Генриху Герцу провести её экспериментальную проверку. Опыты Герца однозначно подтвердили правоту Максвелла и были описаны в работе "О лучах электрической силы", вышедшей в декабре 1888 г. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн. Фактически Герц и был первооткрывателем радиосвязи. Он передавал без проводов и принимал импульсные сигналы.
В августе 1894 года Оливер Лодж демонстрировал первую преднамеренную передачу сигналов при помощи радиоволн (см. приложение). В мае 1895 года Александр Степанович Попов продемонстрировал передачу радиоволн в Петербурге. В июле 1896 года Гульельмо Маркони получил патент Великобритании на способ передачи электромагнитных волн. Приоритет не был признан в Германии, России, США и Франции. В 1904 Дж.Флеминг изобрёл вакуумный диод-детектор, а в 1906 году Л. де Форест – триод. В 1913 году А.Мейснер изобрёл ламповый генератор. В 1935 году Р.А.Ватсон-Ватт построил радиолокатор и обнаружил самолёт, летящий на расстоянии 64 км. В 1948 году В.Шокли изобрёл биполярный транзистор. В 1954 году Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и Ч.Х.Таунс создали первые мазеры. В 1958 году Дж.Килби изготовил первую микросхему.
Радиоэлектроника тесно связана с физикой, она применяется практически во всех физических измерениях. Применение радиофизических методов привело не только к уникальным результатам, но и к открытиям, среди которых можно отметить следующие – нейтрон, нейтрино, все эффекты взаимодействия элементарных частиц. Реликтовое электромагнитное излучение. Пульсары, двойные пульсары. И многое другое…
Цепи
Электрическая цепь – совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение. Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой.
Часть электрической цепи, имеющая два входных и два выходных зажима (полюса), называют четырёхполюсником. Пару зажимов четырёхполюсника, к которым присоединяют источник сигнала, называют входными, а пару зажимов, к которым присоединяют нагрузку (приёмник), – выходными.
Четырехполюсники подразделяются на пассивные и активные. Четырёхполюсник, в схеме которого не содержатся источники энергии, называется пассивным. Четырёхполюсник, в схеме которого есть источники энергии, называется активным.
Ко входу четырёхполюсника можно подключить идеальный генератор переменного напряжения. Идеальный генератор напряжения UBX имеет нулевое внутреннее сопротивление и поддерживает напряжение при любых токах нагрузки. При коротком замыкании его ток должен быть равен бесконечности!
Рис. 1.1.
Схема включения четырёхполюсника. Коэффициент передачи определяется формулой (1.1).
Большинство цепей удобно представлять в виде четырёхполюсников. Тогда можно ввести комплексный коэффициент передачи, зависящий от частоты:
 |
. (1. 1)
Переменный ток
Переменным током будем называть любой электрический ток, изменяющийся во времени. Так же определим и переменное напряжение. Если любые значения переменного тока повторяются через равные промежутки времени Т, то такой ток называется периодическим. Всякий реальный процесс имеет начало и конец. Поэтому, строго говоря, периодическим любой процесс можно считать лишь в некотором приближении.
Важнейшее значение в радиоэлектронике имеет изучение прохождения в цепях синусоидального переменного тока. Ниже будет показано, что во многих случаях сигналы другой формы могут быть представлены в виде суммы синусоидальных.
Напомним краткие сведения из школьного курса физики.
Синусоидальное переменное напряжение U(t) = U0 sin (ω t+ φ), ω = 2 π f – круговая частота, измеряемая радианами в секунду, φ – фаза при t = 0, t – время, U0 – амплитуда.
Частота f измеряется в герцах или Гц.
Рис. 1.2.
Сумма синусоид.
UC (t)= UA (t) + UB (t),
UA = 1В sin ω t,
UB = 0.5В sin (ω t+ φ), φ = π /2,
UC М AX = 1.12В.
Видно, что суммарная амплитуда гармонических колебаний А и В при произвольном сдвиге по фазе φ не равна арифметической сумме амплитуд.
Эффективное значение
Синусоидальный ток. Средняя мощность за период.
(1.2)
Несинусоидальный переменный ток. Эффективное значение.
(1.3)
(1.4)
Рис. 1.3. Переменное напряжение разной формы.
А – пила, Б – меандр.
Значение эффективного напряжения зависит от формы переменного тока и иногда даже равно амплитудному.
Следует запомнить, что почти все вольтметры показывают эффективное напряжение синусоидального переменного тока.
Линейные системы
Условие квазистационарности
Пусть L – характерные размеры системы (электрической цепи), c – скорость света, Т – характерное время наблюдения или измерения сигнала. Для периодического сигнала Т = 1/ f, где f – частота. Тогда можно сформулировать условие квазистационарности:
или Здесь длина волны (2.1)
Если выполнено условие квазистационарности, то можно обоснованно считать, что электромагнитное поле во всех частях нашей системы меняется синхронно, а напряжения и токи синфазны.
Если выполняется обратное неравенство: λ < L, (2.2)
то такие системы называются распределёнными.
Приведём пример: частоте переменного тока в сети f = 50 Гц соответствует длина волны λ ~ 6000 км. Диаметр Петербурга (~ 30 км) – значительно меньше. И для области от Петербурга до Москвы (~ 600 км) условие квазистационарности (2.1) тоже выполнено.
Другой пример: частоте f = 1800 МГц (рабочий диапазон мобильного телефона) соответствует длина волны λ ~ 17 см. В этом случае размеры приёмника могут оказаться сравнимыми с длиной волны и условие квазистационарности (2.1) может быть не выполнено (или выполнено без запаса).
Линейность
Условие линейности можно сформулировать следующим образом:
(2.3) (2.4) (2.5)
В этом случае отклик линейно пропорционален воздействию. Например, ток I пропорционален напряжению U: I = U/R, поток Ф пропорционален току I: Ф = L I.
Физически ясно, условия (2.3 – 2.5) справедливы при малых I, U, Q, Ф. В обратном случае различные нелинейные эффекты нарушат эту связь. Следует подчеркнуть, что малость в каждом случае требует отдельного анализа.
Например, на рис. 2.1 приведена типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) туннельного диода. Видно, что условие линейности выполняется для него при токах I < 0.8 мА и ещё на двух небольших участках характеристики.
Рис. 2.1. Вольтамперная характеристика туннельного диода 1И104.
